Intense grondwaterstromen destabiliseren het ijs in de Grote Meren van Noord-Amerika, blijkt uit simulaties

Schematische weergave van het lake-ice-groundwater model, met grondwaterflux onder de bodem van het meer en atmosferische invloeden aan de oppervlakte die de thermische stratificatie van het meer beïnvloeden.

Krachtige stromen van grondwater stijgen op uit de ondergrond van de meren Michigan en Huron, die samen een van de grootste zoetwatersystemen ter wereld vormen. Deze grondwaterflux kan de manier en plaats waar ijs zich vormt dramatisch veranderen, met belangrijke implicaties voor ijs-klimaatmodellen. Nu de klimaatverandering druk uitoefent op het systeem, suggereert nieuw onderzoek dat traditionele modellen mogelijk onderschatten hoe grondwater het meerijs langs de kustlijnen kan destabiliseren.

Bij het nadenken over de vorming en stabiliteit van meerijs, komen vaak atmosferische invloeden in gedachten, zoals luchttemperatuur, luchtvochtigheid, wind en zonnestraling. Maar Saeed Memari van de Colorado School of Mines en zijn collega’s betogen dat grondwaterflux een grote rol kan spelen bij het moduleren van ijsvorming en -smelting in grote zoetwatersystemen.

In hun werk, recent gepubliceerd in Water Resources Research, hebben Memari en het team gekoppelde hydrodynamische-ijsmodellen ontwikkeld die ruimtelijk en temporeel variabele grondwaterafvoer aan de bodem van de meren Michigan en Huron incorporeren. Ze hebben getest hoe verschillende sterktes van de flux de thermische stratificatie van het meer, het begin van de bevriezing en de ijsstabiliteit beïnvloeden. Hun belangrijkste bevinding: wanneer de grondwaterflux toeneemt, fungeert het als een zwakke maar blijvende warmtebron, die warmer water uit de ondergrond aanvoert en de groei van ijs vertraagt of de smelting bevordert.

De auteurs hebben een reeks scenario’s van grondwaterflux getest. Ze ontdekten dat bij lage fluxen (10 keer de basisstroom) de impact subtiel is, met lichte verdunning of vertraagde bevriezing in ondiepe zones. Bij gematigde flux (100 keer de basisstroom) kan het grondwater de thermische stratificatie verstoren door warmer water omhoog te mengen, wat de stabilisatie van het ijs belemmert. Maar in de meest extreme fluxregimes (1.000 keer de basisstroom) wordt het effect dramatisch; in kust- en nabijgelegen zones wordt het ijs thermisch gedestabiliseerd, waardoor smelting veel eerder optreedt en verder landinwaarts doordringt dan modellen zonder grondwater zouden voorspellen.

Interessant is dat hun simulaties aantonen dat de destabiliserende invloed het sterkst is nabij de randen en kusten van het meer, vanwege een hogere grondwaterinvoer, terwijl in de diepe binnenmeren het effect wordt gedempt door volume en isolatie. De zwakke bodemwarmte van grondwater ondermijnt dus onevenredig het ijs in de gebieden waar mensen, ecosystemen en infrastructuur het meest met het meeroppervlak interageren.

Bovendien is niet alle grondwaterflux gelijk. Ruimtelijke variabiliteit betekent dat een sterke flux in één kustsector lokaal ijs kan smelten of verdunnen, zelfs wanneer de rest van het meer bevroren blijft. Tijdelijke variabiliteit is ook belangrijk, aangezien warmere zomermaanden betekenen dat de temperatuur van het meeroppervlak minder bevorderlijk is voor ijsvorming, terwijl in de winter koelere oppervlaktewateren kunnen leiden tot langzame maar constante ijsaccumulatie. Dit komt door een meer uitgesproken thermische gradient in de waterkolom van het meer, waar dichtere, warmere grondwater zich niet mengt met het oppervlaktewater, waardoor een koeler oppervlak wordt behouden. Daarom zouden modellen gedifferentieerde bodemflux- en temperatuurverdelingen moeten toestaan, in plaats van uniforme aannames.

In de context van de voortdurende opwarming van het klimaat stellen de auteurs dat stijgende grondwatertemperaturen, gewijzigde neerslag, veranderingen in landgebruik of veranderingen in de aanvulling van het aquifer de grondwaterfluxregimes omhoog zouden kunnen verschuiven. Dit zou eerder subtiele bijdragen van ondergrondse warmte kunnen versterken en de ijsbedekking in kustzones verder kunnen aantasten.

Door variabele grondwaterfluxen in hun modellen op te nemen, streven de onderzoekers ernaar een realistischer, dynamisch model van winterijs in grote meren onder toekomstige klimaatscenario’s te bieden. Bovendien heeft een betere voorspelling van de timing en dikte van het ijs praktische gevolgen, aangezien ijsbedekking invloed heeft op ecologische processen, kusteroie, waterkwaliteit en winterse navigatie.

Zoals bij elk modelstudie zijn er kanttekeningen. Memari en het team merken op dat ze geen feedbacks tussen de evoluerende ijsbedekking en grondwaterpatronen expliciet opnemen (bijvoorbeeld, als ijs smelt, kunnen waterpaden veranderen). Ook zijn de extreme fluxgevallen hypothetische bovengrenzen; de frequentie en aanstichters van dergelijke pulsen in echte Great Lakes-aquiferen blijven onzeker.

Een andere vraag is: welke geologische en hydrogeologische omstandigheden maken zulke intense grondwaterfluxen mogelijk? Doorlatendheidsstructuur, aquiferverbindingen, sedimentlagen en hydraulische gradiënten bepalen allemaal hoe groot de injecties van bodemwarmte kunnen zijn, maar dergelijke ondergrondse gegevens zijn niet altijd beschikbaar. Het valideren van gegevens door directe metingen van grondwaterafvoer onder ijs, temperatuurprofielen nabij de bodem van het meer en ijsdiktemetingen zal helpen om te bepalen welke grondwaterfluxregimes plausibel zijn.

Het idee dat subtiele opwarming van grondwater het meerijs op betekenisvolle wijze kan destabiliseren, kan verrassend zijn, maar deze studie toont aan dat zelfs zwakke injecties van ondergrondse warmte over de winterperiode accumulatieve effecten kunnen hebben, vooral wanneer ze worden vergroot door hoge fluxpulsen. In de kustzones van de Great Lakes kan dit betekenen dat het smelten eerder optreedt, het ijs dunner wordt en de winterbedekking onverwacht zwak is, wat allemaal belangrijk is voor ecosystemen, recreatie, infrastructuur en regionale klimaatinvloeden.

Door de dynamiek van grondwater in ijs- en hydrodynamische modellen te integreren, benadrukken de onderzoekers dat geen enkel onderdeel van de water- en warmtebalans vereenvoudigd of weggelaten mag worden, vooral niet in een opwarmende wereld. Naarmate de klimaatverandering voortschrijdt, zou de vaak over het hoofd geziene ondergrond wel eens een cruciale rol kunnen spelen in hoe ijs zich gedraagt en in de bredere milieu- en maatschappelijke impact.